О чем рассказывает свет

Частота фиолетового излучения равна 750 тысячам миллиардов, или 7,5·10¹⁴ циклам. Она, как видим, больше, чем у красного излучения, почти в два раза.

Итак, физики получили две характеристики одного и того же цветного луча: длину волны и частоту.

В этой книжке мы будем применять иногда одну характеристику, а иногда другую. Переход же от одной характеристики к другой очень прост.

От призмы к спектрографу

Опыты с призмой показали, что как бы мало ни отличался один луч света от другого по частоте световой волны, он по-своему преломляется в призме и потому занимает в спектре свое, определенное место.

Этот факт и использовал немецкий физик Густав Кирхгоф (1824—1887) в конце 50-х годов прошлого века, когда потребовалось выяснить, отличается ли по цвету пламя, окрашенное парами стронция, от пламени, окрашенного парами лития.

Установка Ньютона была усовершенствована. У Ньютона она была громоздкой, начиналась со щели в ставне, а кончалась цветной полосой на противоположной стене. Теперь вся установка была смонтирована в виде небольшого переносного прибора, состоящего из призмы и трех оптических трубок (рис. 15). Этот прибор и получил название спектроскопа.

Рис. 15. Общая схема спектроскопа (рисунок взят из книга Д. И. Менделеева «Основы химии»). Призма А находится в центре столика. Перед трубкой Б ставят горелку с окрашенным пламенем. В трубку В наблюдают. В трубке Г находится освещенная шкала, которая отражается от боковой грани призмы, как от зеркала, и также видна через трубку В

Посмотрим, как он работает. Пусть в окрашенном пламени имеется два цвета, например, красный и фиолетовый. Лучи от этого пламени попадают в щель М, прорезанную в заслонке А на одной из трубок спектроскопа (рис. 16). Пройдя щель, лучи падают расходящимся пучком на линзу (двояковыпуклое очковое стекло) Б. Эта линза поставлена так, что лучи, пройдя ее, дальше идут параллельно и попадают на призму В. До призмы все лучи, независимо от цвета, идут по одному направлению. На гранях призмы красные и фиолетовые лучи преломляются по-разному. После призмы они идут разделенными. На рис. 16 показано, как из призмы В вышли два цветных пучка и упали на линзу Г. Линза Г собирает каждый цветной пучок лучей: красный — в точке К, фиолетовый — в точке Ф.

Надо помнить, что на рисунке все показано в разрезе: щель в заслонке А нарисована в виде точки М, а на самом деле она идет под прямым углом к плоскости бумаги; точки К и Ф также на самом деле не точки, а цветные линии, — это изображения щели А, которые образуются разными по цвету лучами. Такие линии рассматриваются сквозь увеличительную линзу Д.

На изображения щелей, т. е. на линии К и Ф, накладывается еще изображение особой шкалы, помещенной в третьей трубке Г (рис. 15).

Рис. 16. Ход лучей в спектроскопе

Шкала заранее проградуирована, т. е. заранее промерено, какой частоты излучение падает на изображение любого ее деления. Такой прибор называют спектрографом. Работа с прибором упростилась: достаточно взглянуть в трубку спектрографа — и отсчет по шкале показывает, каковы частоты излучений (или длины волн), испускаемых источником света.

Вскоре физики еще более усовершенствовали спектрограф: в зрительной трубке был поставлен фотоаппарат. Спектры уже не наблюдают непосредственно глазом, их фотографируют, а фотографии тщательно изучают.

Так в XIX веке родился замечательный прибор — спектрограф.

Свет рассказывает о составе веществ

Химики заводят спектральную книгу

Теперь ученые получили в свои руки мощное орудие исследования света — спектрограф. Они стали рассматривать через этот прибор пламя горелки, окрашенное парами различных металлов—натрия, калия, лития и других.

Спектры окрашенного пламени представляли собой любопытную картину. В разных частях шкалы на черном фоне загорались цветные линии. У натрия загорелась всего только одна линия — желтая; позднее в более мощный спектроскоп физики рассмотрели, что на самом деле это две, очень близко расположенные линии 5890Å и 5896Å. У калия были три линии: две красные рядом друг с другом и фиолетовая вдалеке от них.

Такие спектры из отдельных линий были названы линейчатыми (см. приложение II; две желтые линии натрия и две красные линии калия на рисунке сливаются в одну).

С помощью нового прибора легко был решен вопрос: чем отличается малиново-красное пламя раскаленных паров лития от малиново-красного пламени паров стронция. В спектроскоп было видно, что спектр лития состоит из двух линий: красной — 6708Å^[1] и оранжевой — 6108Å, а спектр стронция состоит из многих линий, среди которых есть фиолетовая — 4077Å, несколько голубых — 4872Å и другие, несколько зеленых — 5257Å и другие, несколько желтых — 5504Å и другие и красная — 6410Å. В обоих спектрах самые яркие линии — красные; потому-то для глаз пламя кажется окрашенным одинаково и парами лития, и парами стронция.

Химики испытали не только раскаленные пары металлов, но и пары других веществ и нашли, что каждое вещество, если только его можно превратить в раскаленный газ, испускает свой особенный спектр. Вскоре был выведен общий закон: раскаленные пары каждого вещества испускают спектр излучений, свойственных только этому веществу.

Ученые решили определить спектры, испускаемые каждым химическим элементом, и занести эти спектры в особую спектральную книгу. Если кому-нибудь понадобится узнать состав какого-либо сложного вещества, достаточно рассмотреть спектр этого вещества через спектроскоп или, еще лучше, заснять его с помощью спектрографа и сравнить со спектрами в справочной спектральной книге.

Началась упорная работа. Справочная спектральная книга быстро заполнялась. Скоро ученые установили и внесли в спектральную книгу спектры всех известных химических элементов. С помощью спектрографов физики и химики исследовали спектры и установили состав минералов, золы, клеток растений, крови человека; определили, какие вещества уходят с заводов вместе с дымом и отбросами производства. Они узнали также состав многих не исследованных до того химических соединений и смесей.

Начало всей этой работе по исследованию спектров излучений различных веществ положил упомянутый выше немецкий физик Кирхгоф.

Почему каждый элемент испускает излучение не одной частоты (длины волны), а целый спектр, т. е. набор излучений многих частот (длин волн), никто пока еще не знал. Это было принято как факт, смысл которого был раскрыт много позднее. Об этом мы расскажем в других главах книжки.

Спектрограф обнаруживает неизвестные элементы

Спектрограф стал незаменимым помощником химика.

До появления спектрографа существовали элементы, которые скрывались от глаз химика, от его приборов, от его средств исследования. Чувствительность тех средств исследования, которыми владели химики, была недостаточной, чтобы обнаружить мельчайшие количества этих элементов. К тому же они часто оказывались химически очень схожими с другими, известными элементами, которых они обычно сопровождали в природе. Таких неразлучных спутников химически трудно различить. Химик мог держать незнакомые ему элементы в руках в различных смесях, процеживать и выпаривать их, но ничего не знать об их существовании. Они оставались элементами-невидимками.

Теперь спектрограф позволил обнаруживать даже очень малые количества этих элементов — десяти- и стомиллионные доли грамма, а в некоторых благоприятных случаях даже и сотые доли стамиллионных долей грамма. Собственный свет выдавал их. Элементы-невидимки перестали быть невидимыми.

Однажды, исследуя саксонский минерал лепидолит, химики обнаружили в его спектре пять новых, еще неизвестных линий: темно-красные линии — 7950Å и 7811Å, фиолетовую — 4201Å и небесно-голубые — 4593Å и 4555Å. Потом те же линии были найдены в спектрах золы некоторых растений, в спектрах некоторых минералов и минеральных вод. Пять указанных линий всегда сопутствовали друг другу, и лишь в спектре гранита, привезенного с острова Эльбы, были найдены только две небесно-голубые линии 4593Å и 4555Å. Эти линии еще не значились в справочной книге спектров. Химики поняли, что новые линии сигнализируют о каких-то, по меньшей мере двух, еще неизвестных элементах. Предстояла задача выделения их из минералов в чистом виде. Но как это сделать?